Vooruitgang en Perspectieven in de Wereld van Nanotube van de Koolstof

door Professor Morinobu Endo

Professor Morinobu Endo, Faculteit van Techniek en Instituut van de Wetenschap van de Koolstof & Technologie, Shinshu Universiteit, Japan
Overeenkomstige auteur: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

Tijdens het laatste decennium, heeft de nanotechnologie veel aandacht van binnen de maatschappij als potentiële bron voor nieuwe oplossingen aan veel van de bestaande en nieuwe problemen van de wereld ontvangen. Eenvoudig gezet, kon de nanotechnologie de capaciteit verstrekken complexe oplossingen op atoom en moleculaire schaal beter om te begrijpen en te ontwerpen. Aantrekkelijkste op nanotechnologie betrekking hebbende nanomaterial wordt beschouwd als om ééndimensionale koolstof nanotubes (CNT).

Geometrisch, kan CNT door rollende bladen van graphene worden gevisualiseerd in een lang hol buisje. De unieke configuratie van dit materiaal verleent uitstekende fysico-chemische eigenschappen1. Bijvoorbeeld, is de modulus van de Jongelui van CNT stijver dan een ander materiaal, terwijl hun treksterkte 100 keer dat van staal is. De Maximale elektro huidige dichtheid is 100 keer groter dan voor koperdraad en carrier de mobiliteit is ca. 105 cm/Vs2. CNTs toont grote belofte in de nabije toekomst in talrijke toepassingen2 en de uitstekende eigenschappen van CNT hebben reeds in hun gebruik in commerciële beschikbare producten geresulteerd.

Momenteel, produceerde het totaal van CNTs commercieel van rond de bereikte wereld ca. 1.000 ton/jaar. In dit eigenschapartikel, wordt de basisstructuur van CNTs kort beschreven, evenals wordt de recentste vooruitgang in de productie op grote schaal, bestaand commercieel gebruik van nanotubes herzien met speciale nadruk op de toxicologische kwestie van CNTs.

Wat is een Koolstof Nanotube?

CNT kan worden gevisualiseerd zoals rollende bladen van graphene (sp2 het rooster van de koolstofhoningraat) in een cilinder van de diameter van de nanometergrootte (Fig. 1 (a)). De structuur van CNT is onderzocht in de vroege jaren met high-resolution transmissieelektronenmicroscopie (Fig. 1 (b))3, en de verkregen resultaten openbaren dat nanotubes naadloze die nanoscalebuisjes uit het honingraatrooster worden afgeleid die één enkele atoomlaag van kristallijn die grafiet vertegenwoordigen zijn, anders als grapheneblad worden bedoeld. De kromming van nanotubes neemt een kleine hoeveelheid sp3 op die zodat de kracht constant in de perifere richting lichtjes zwakker is dan langs de nanotubeas plakken.

Figuur 1. (a) CNT zou door rollende bladen van graphene (sp2 het rooster van de koolstofhoningraat) kunnen worden gevisualiseerd in een cilinder van de diameter van de nanometergrootte. (b) de structuur van CNT is onderzocht vroeg door high-resolution transmissieelektronenmicroscopie.

Aangezien de enig-ommuurde koolstof nanotube (SWNT) slechts één atoom dik is en een klein aantal atomen rond zijn omtrek heeft, slechts zijn een paar golfvectoren nodig om de periodiciteit van nanotubes te beschrijven. Deze beperkingen leiden tot quantumbeperking van de golffuncties in de radiale en perifere richtingen, met vlakke golfmotie die slechts langs de nanotubeas voorkomen, die aan een groot aantal of hechte toegestane golfvectoren beantwoorden.

De Koolstof nanotubes kan of metaal of semiconducting zijn, en eveneens kunnen de individuele constituenten van multi-muur nanotubes of single-wall nanotubebundels metaal of semiconducting zijn4. Deze opmerkelijke elektronische eigenschappen volgen op de elektronische structuur van 2D grafiet onder de beperkingen van quantumbeperking in de perifere richting.

In het geval van multi-ommuurde koolstof nanotubes (MWNTs), wat typisch een diameter minder dan rond 100 NM hebben, geen het grafiet driedimensionele wordt stapelen gevestigd5, alhoewel individuele shell van de multilagen uit perfecte graphenebladen bestaat. Ook, heeft elke buis verschillende en onafhankelijke chirality, die tot groter inter-SHELL zou kunnen bijdragen uit elkaar plaatsend dan in grafiet wordt gevonden. Deze kenmerkende structuren van enige en multi-ommuurde CNTs wijzen erop dat zij unieke ééndimensionale materialen met fascinerende elektronische, chemische, mechanische, en thermische eigenschappen zijn.

De Productie van de Industriële Schaal van Koolstof Nanotubes

Op tot nu toe, zijn diverse synthetische methodes om CNTs te produceren gemeld (b.v., booglossing, laserverdamping en katalytisch chemische dampdeposito (CVD)). De dominante recente tendens moet CNTs samenstellen gebruikend de benadering van CVD aangezien deze techniek voor de productie op grote schaal van zowel SWNTs als MWNTs uiterst nuttig is. 3Door koolwaterstoffen en nanoscale katalytische deeltjes in de gasfase in de reactiekamer gelijktijdig te voeden, is CNTs samengesteld op op grote schaal. 6

Het Groeien SWNTs en MWNTs in een reactor is voorgesteld en dit impliceert het katalytische deposito van koolwaterstoffen over de oppervlakte van nano-gerangschikte metaaldeeltjes en een ononderbroken output door het deeltje van goed-georganiseerd buisje van hexagonale SP2-koolstof3,6. Het sterke bewijsmateriaal van deze veronderstelling is de aanwezigheid van katalytische deeltjes op de einden (bovenkant of wortel) van de buizen (Fig. 2 (a.c.)). In het geval van productie op grote schaal van SWNTs, gaf de ontwikkeling van het proces van de hoge drukkoolmonoxide impuls op de wetenschappelijke studie en de toepassingen van SWNTs7.

Figuur 2. toont de aanwezigheid van katalytische deeltjes op de einden van de buizen.

Betreffende de bulkproductie van MWNTs voor industriële toepassingen, is het belangrijk om te vermelden dat aan het eind van Internationale 1980, Katalyse showa-Denko Co. Ltd en Hyperion, Inc. (Cambridge, DOCTORANDUS IN DE LETTEREN) productie jaarlijks van verscheidene ton van katalytisch gekweekte CNTs begon. Momenteel, heeft het totaal van in de handel verkrijgbare MWNTs rond de wereld 1.000 ton/jaar bereikt. Men verwacht dat de globale koolstof -koolstof-nanotubeopbrengst in 2015 US$500 miljoen zal bereiken8. Het interessantste punt is dat alle bedrijven een katalytische methode van CVD voor de productie op grote schaal van MWNTs selecteerden.

Toepassing van Koolstof Nanotubes

wegens hun kleine afmetingen en uitstekende fysico-chemische eigenschappen, CNTs zijn voorgesteld voor een brede waaier van toepassingen. Enkele potentiële toepassingen van CNT omvatten multifunctionele samenstellingen, elektrochemische elektroden en/of additieven, gebiedszenders evenals nano-gerangschikte halfgeleiderapparaten2. CNTs wordt ook gebruikt als vullers in zowel anode als kathodematerialen van lithium-ionen secundaire batterijen9,10.

MWNTs kan als de microscoopuiteinden van de aftastensonde worden gebruikt om high-resolution beelden te verkrijgen en in de nabije toekomst, zal dunne MWNTs als het elektronenbronnen van de gebiedsemissie voor vlak-paneelvertoningen worden gebruikt. Functionalized Chemisch MWNTs geven ook een hoge het ontdekken capaciteit voor chemische en biologische groepen die met verschillende oppervlakten interactie aangaan.

Bovendien is CNTs een ideale kandidaat voor vullers in polymeersamenstellingen. Het kleinste werkende samengestelde toestel is voorbereid door zich te mengen en nanotubes in gesmolten nylon dan in te spuiten in de uiterst kleine vorm. Dit stuk stelt een hoge mechanische sterkte, een hoge schuringsweerstand en ook een goed elektro en warmtegeleidingsvermogen tentoon. De Verdere vooruitgang moet worden uitgevoerd om deze nanotube/polymeersamenstellingen volledig te gebruiken, bijvoorbeeld de optimalisering van oppervlakteeigenschappen, de homogene verspreiding zonder fysieke schade, de ontwikkeling van een efficiënte groeperingsmethode (ook evaluatiemethode) en verwerking.

Een super rubberdichtingsproduct geschikt voor weerstaan op hoge temperatuur en druk werd met succes vervaardigd door Professor Morinobu Endo en zijn collega's bij het Instituut van de Wetenschap & de Technologie van de Koolstof. Dit werd gedaan door op te nemen oppervlakte-gewijzigd nanotubes in rubber11. Gebaseerd op onze ramingen en na het onderzoeken van de diepte en de temperatuur van oliemiddelen, zal de ontwikkeling van een super rubbertechnologie geschikt om 260°C onder MPa 239 van druk te weerstaan bijdragen tot een revolutionaire verhoging in de efficiency van de olieterugwinning van huidige 35% aan meer dan 70% door eerder ontoegankelijke stortingen op te graven.

Een Andere potentiële toepassing van CNT is in de vervaardiging van super-condensatoren en elektrochemische die actuators in kunstmatige spieren worden gebruikt. Actuators van Nanotube kunnen bij lage voltages en temperaturen zo werken hoog zoals 350°C. Momenteel, worden de super-condensatoren opgenomen in hybride voertuigen aangezien zij snelle versnelling konden verstrekken en breekenergie elektrisch opslaan.

De mogelijkheid om te gebruiken CNTs als nanowires is overwogen wegens hun waargenomen ballistisch vervoer. Voor de vervaardiging van het effect van het nanotubegebied transistors, werd SWNTs verbonden met metaal nano-elektroden. De prestaties zijn uitstekend in termen van omschakelingssnelheid ten gevolge van hun lage capacitieve weerstand. Een inherent probleem verbonden aan CNT ligt in de moeilijkheid in het manipuleren van hen. Vanuit een commercieel gezichtspunt, wordt de verdere technische vooruitgang vereist, zoals de selectieve groei van nanotubes gebruikend zelf-assemblagetechnieken.

Koolstof Nanotube Biocompatibility

Veel aandacht werd besteed op de giftigheid van CNTs toe te schrijven aan hun nanoscaledimensie en hun morfologische eigenschappen gelijkend op dat van asbest12,13. Daarom is het toxicologische bewijsmateriaal van CNT sterk nodig om risico's en beroepswanorde in arbeiders te verhinderen en hun veilig gebruik in verbruiksgoederen te bevorderen. Onze inleidende studies over de biologische reactie van CNTs wijst op hun potentiële giftige aard beduidend laag is14,15. Nochtans, moet een grondigere en op lange termijn studie worden uitgevoerd om de giftige aard van diverse soorten CNTs zoals directe aspiratie van buizen in menselijke longen te bepalen.

Vooruitzichten

Deze uiterst kleine, zwarte en tubulair-typenanomaterials zullen de manier veranderen wij leven, werken en communiceren. Een groot aantal CNT-Afgeleide producten is reeds in gebruik en hun uitvoerbaarheid hangt sterk van het succes van hun introductie op de markt af.

Alvorens het gebruik van CNTs in commerciële producten als succes te beschouwen, moeten minstens vier hindernissen worden opgelost:

   1. Hoe te hoge zuiverheid CNTs als metaalonzuiverheden verkrijgen blijf vaak na het vervaardigingsproces dat tot giftige eigenschappen kan leiden.
   2. Hoe te om deze uiterst kleine materialen te manipuleren.
   3. Hoe te om chirality van CNT te controleren.
   4. De belangrijkste maar kritieke „veiligheids“ kwestie moet worden verduidelijkt gebaseerd op biologische studies op lange termijn en systematische.

De Uitgebreide en intensieve inspanningen in zowel academie als de industrie zoeken een oplossing aan deze hindernissen en zodra een oplossing is bereikt, zal CNTs een belangrijke belangrijke rol als innovatief materiaal van eeuw 21st in een aantal industriële processen spelen.

Wij hebben voorbij de eerste berg van wetenschap, de tweede berg van technologie en de derde berg van economie door CNTs op op grote schaal aan redelijke kosten bereikt (Fig. 3) met succes te produceren. Nu ernaar streven wij om de berg van de maatschappij te beklimmen. Door informatie te delen over risico's en voordelen van CNTs met alle bewaarders, zullen wij definitief de bovenkant van een nanotubeberg bereiken en zullen CNT zijn een innovatief materiaal voor eeuw 21st bewijzen.

Figuur 3. De Koolstof nanotube als leading-edge van nanotechnologie moet voorbij de vier bergen als innovatieve en fundamentele technologie van eeuw gaanst 21. De samenwerking Wereldwijd op wetenschap is het hoofdthema voor het succes.

Erkenning

Dit die werk was voor een deel door de CLUSTER (tweede stadium) wordt gesteund en toelagen MEXT (Nr 19002007), Japan.


Verwijzingen

1. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus en PC. Eklund, Wetenschap van Fullerenes en Koolstof Nanotubes, Academische Pers, San Diego (1996).
2. M. Endo, M.S. Strano, P.M. Ajayan, In Koolstof Nanotubes: Geavanceerde Onderwerpen in de Synthese, de Structuur, de Eigenschappen en de Toepassingen (Eds, A. Jorio, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus), Aanzetsteen, 2008, pp 13-61.
3. A. Oberlin, M. Endo en T. Koyama, J. Crystal Growth 32, 335-349 (1976).
4. R. Saito, M.S. Dresselhaus en G. Dresselhaus, Fysische Eigenschappen van Koolstof Nanotubes, de KeizerPers van de Universiteit, Londen (1998).
5. X. Zon, C.H. Kiang, M. Endo, K. Takeuchi, T. Furuta en M.S. Dresselhaus, Phys. Toer B 54, 1 (1996).
6. M. Endo, Technologie van Chem. 568-576 (1988).
7. P. Nikolaev, M.J. Bronikowski, R.K. Bradley, F. Rohmund, D.T. Colbert, K.A. Smith, R.E. Smalley, Chem. Phys. Lett. 313, 91 (1999).
8. Bedrijfs Horloge, Aard 461, 703 (2009).
9. M. Endo, Y.A. Kim, T. Hayashi, K. Nishimura, T. Matushita, K. Miyashita en M.S. Dresselhaus, Koolstof 39, 1287-1297 (2001).
10. C. Sotowa, G. Origi, M. Takeuchi, Y. Nishimura, K. Takeuchi, I.Y. Jang, Y.J. Kim, T. Hayashi, Y.A. Kim, M. Endo, M.S. Dresselhaus, ChemSusChem 1, 911-915 (2008).
11. M. Endo, T. Noguchi, M. Ito, K. Takeuchi, T. Hayashi, Y.A. Kim, T. Wanibuchi, H. Jinnai, M. Terrones, M.S. Dresselhaus, Adv. Funct. Mater. 18, 3403-3409 (2008).
12. A. Takagi, A. Hirose, T. Nishimura, N. Fukumori, A. Ogata, N. Ohashi, S. Kitajima, J. Kanno, J. Toxicol. Sc.i. 33, 105-116 (2008).
13. C.A. Polen, R. Duffin, I. Kinloch, A. Maynard, W.A.H. Wallace, A. Nationaal Seaton. Nanotech. 3, 216-221 (2008).
14. S. Koyama, M. Endo, Y.A. Kim, T. Hayashi, T. Yanagisawa, K. Osaka, H. Koyama, N. Kuroiwa, Koolstof 44, 1079-1092 (2006).
15. S. Koyama, Y.A. Kim, T. Hayashi, K. Takeuchi, C. Fujii, N. Kuroiwa, H. Koyama, T. Tukahara, M. Endo, Koolstof 47, 1365-1372 (2009).

Copyright AZoNano.com, Professor Morinobu Endo (Universiteit Shinshu)

Date Added: Jun 23, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:16

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit